碳纤维布加固补强受力分析与设计计算

那傲峰

(黑龙江省林业设计研究院)

用胶结材料把碳纤维增强复合材料贴于被加固构件的受拉区域,使其与被加固截面共同工作达到提高构件承载能力的目的。除具有粘贴钢板相似的优点外还具有耐腐蚀、耐潮湿、几乎不增加结构自重、耐用、维护费用较低等优点,但要专门的防火处理,适用于各种受力性质的混凝土结构构件和一般构筑物。

粘贴碳纤维片加固修复混凝土结构时,应按国家规行规范进行承载能力计算和验算。

1 碳纤维布加固旧桥的特点

1.1 不增加恒载及断面尺寸

碳纤维布的自重仅为 200～300 g/m3,设计厚度为0.111～0.167mm,加上环氧树脂系列的粘结材料的自重也很轻,对整个结构重量及桥下净空的影响微乎甚微,可忽略不计。同时,碳纤维布可以多层粘贴。根据补强的要求,碳纤维布可以在一个部位重叠粘贴,充分满足补强的要求。

1.2 可适应不同构件形状,成型很方便

斜、弯、坡及异型结构的补强,采用传统的方法,施工难度极大,采用碳纤维布补强法,因碳纤维布具有随形性极强的特点,可以随结构外形变化任意施工,从而降低施工难度,减少施工成本,缩短施工工期,能产生巨大的社会效益及经济效益。

1.3 施工简便

特别是当箱梁内部的作业空间受到限制时,碳纤维布加固方法是可选择的一种方法。该法工艺简便,无需大型设备、模板、夹具及支撑,操作起来简单易行,因而施工时所需工作面小,在作业空间受限制时。该优点是其他加固方法所无法比拟的。

1.4 采用碳纤堆布加固补强,对原结构不产生新的损伤

碳纤维布加固补强系采用环氧树脂系列的粘结材料进行粘贴,不需要设置锚固螺栓及开凿混凝土等,因而不会对已经损伤的结构产生新的破坏,更可避免钻孔时与结构内原有钢筋和预应力索发生冲突而引起新的问题。

1.5 能有救地封闭混凝土的裂缝

碳纤维布(片)粘贴在混凝土的表面,不仅封闭了混凝土的裂缝,其高强高模量的特性还约束了混凝土结构裂缝的生成与扩展,改变了裂缝的形态,使宽而深的裂缝变成分散的细微裂缝,从而提高了混凝土构件的整体刚度。

1.6 碳纤维布(片)具有优良的耐化学腐蚀性

碳纤维布(片)是一种复合材料,几乎无腐蚀性和磁性,并且具有较好的耐热性,不仅能经得起水泥碱性的侵蚀,而且当应用于经常受盐害侵蚀等腐蚀性环境时,其寿命也较长。因而碳纤维布加固法,在不利环境下较其他方法更显出其优越性。

1.7 不影响结构的外观

碳纤维布(片)的厚度很薄,粘贴固化后其表面还可以涂刷一层与原有结构外观颜色一致的涂料,而不影响结构的外观。

2 加固受力特点分析

(1)与传统的其他加固方法相比,采用碳纤维市加固旧桥能最小程度地改变原有结构的应力分布,保证在设计荷载范围内与原结构共同受力。

(2)将抗拉性能优良的碳纤维布用粘结材料粘贴到梁体底面或箱粱内壁上,使其与原结构一起参与受力,即碳纤维布可以与原结构内布置的钢筋一道共同承受拉力,以提高旧桥的承载能力。

(3)沿桥梁的主拉应力方向(或与裂缝正交方向)粘贴碳纤维布,两端分别设置锚固端,据此可约束混凝土表面裂缝,防止裂缝再扩展,从而达到提高构件抗弯刚度、减少构件挠度、改善梁体受力状态的目的。

(4)目前可用于旧桥结构加固用的碳纤维布有单向碳纤维布、单向碳纤维交织布、双向碳纤维交织布及单向碳纤维层压材料等,可根据不同的结构部位和受力特性与方向等选择相应的碳纤维布进行加固。

(5)碳纤维布加固混凝土构件,在提高其受弯承载力的同时还可能影响受弯构件的破坏形态。当碳纤维布用置过多时,构件的破坏形态将由碳纤维被拉断引起的破坏转变为混凝土被突然压碎破坏。与此同时,由于碳纤维为完全弹性的材料,它与钢筋的共同工作会减弱钢筋塑性性能对构件延性的影响。碳纤维布用量过多,构件延性将有所降低。因此,磷纤维布用于钢筋混凝土梁式桥的加固朴强时,应根据实际情况合理使用。

(6)由于碳纤维布加固后在最后破坏时的突然性(拉断或剥离等脆性破坏),其承载力极限状态不能按普通钢筋混凝土的定义,一般应按碳纤维抗拉强度的 2/3进行抗弯承载力计算。

(7)试验研究证实,碳纤维布能够提高混凝土梁抗剪承载力,其作用机理与箍筋类似,同时还能明显改善构件的变形性能,增强构件的变形能力。

(8)碳纤维布与混凝土基层界面,可分为两个界面区.即混凝土基层与粘结树脂界面区、粘结树脂与碳纤维布界面区。牿结性能的本厦是接触面间的相互作用,宏观上表现为液态聚台物浸润表面后形成的机械锁结,微观上表现为分子扩散后相互缠结作用,或化学键作用,或静电吸引作用,或其复台作用。

3 碳纤维布加固设计计算要点

(1)采用碳纤维布加固旧桥,目前一般的计算方法是将碳纤维布按照一定的标准(例如强度或允许应力)近似换算成一定用量的钢筋,然后按照传统的钢筋混凝土受力分析模型进行理论分析。虽然是近似计算方法,但理论分析结果与实验数据吻合得很好,因此在一般情况下是适用的。

(2)碳纤维布加固用量,可按式估算

式中:Acf为碳纤维布用量(面积);As为抵抗不足弯矩所需的钢筋面积;Ry为钢筋的抗拉设计强度;Rcf为碳纤维布的抗拉设计强度。

(3)除按上式估算的碳纤维布加固用量(面积)外,还必须考虑必要的锚固长度和搭接长度所需面积,以及必要的边、角废料等裁剪损耗等。